戴麗君

(南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，210031，南京//副教授)

城市軌道交通的供電電源要求安全可靠，通常由城市電網(wǎng)的高壓(110 kV)降壓后以相應(yīng)的電壓等級(jí)(35 kV或10 kV)分別供給沿線的牽引變電所和降壓變電所。目前，我國城市軌道交通的供電一般有3種方式，即集中供電方式、分散供電方式及分散與集中相結(jié)合的混合供電方式。各種供電方式中，供電電纜發(fā)揮著非常重要的作用，它保證了電能安全、可靠、穩(wěn)定地進(jìn)行傳輸。

對(duì)于分散供電方式而言，由于需要從城市電網(wǎng)分散引入多路中壓電源，且其與城市電網(wǎng)關(guān)系緊密，因接口多且獨(dú)立性差，導(dǎo)致運(yùn)營管理相對(duì)復(fù)雜。特別是采用電纜線路供電，因線路路徑較長，每回線路往往設(shè)有若干中間接頭。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，電纜中間接頭故障在電纜故障中占90%以上，這對(duì)城市軌道交通的安全運(yùn)行造成很大影響。長距離供電電纜故障的判別診斷和處置，一直是城市軌道交通供電系統(tǒng)運(yùn)營維護(hù)的難題。

現(xiàn)有的電纜故障判別處理方式都是在離線狀態(tài)下進(jìn)行的，對(duì)于人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)要求較高，而且長距離電力電纜運(yùn)行保護(hù)方式的特殊性和天窗作業(yè)時(shí)間限制也給電纜故障測(cè)試和處理帶來困難，難以保證故障處理時(shí)效。因此，采用現(xiàn)代化技術(shù)手段對(duì)城市軌道交通的電力電纜故障進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)并準(zhǔn)確定位，對(duì)于保證城市軌道交通正常運(yùn)行具有重要意義。

適用于電力電纜的在線故障監(jiān)測(cè)方法主要包括工頻量法和行波法兩大類。工頻量法通過求解基于線路工頻參數(shù)模型的故障測(cè)距方程獲得故障距離[1]，其主要問題是受線路結(jié)構(gòu)、線路參數(shù)和互感器精度的影響，測(cè)距誤差大；行波法利用暫態(tài)行波信號(hào)在線路上的傳播特性實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距[2-4]，其主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)距精度高，并且適用于各種線路。

行波法不僅需要解決行波信號(hào)傳變、采集、時(shí)間同步和通信等關(guān)鍵技術(shù)問題[5]，而且還要通過對(duì)暫態(tài)行波波形的深入分析才能獲得準(zhǔn)確的行波到達(dá)時(shí)刻。為此提出了一系列現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理算法，主要包括小波變換[6-7]、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)[8]、Hilbert_Huang變換[9]、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解[10]，但這些算法基本停留在理論研究階段。

文獻(xiàn)[11]針對(duì)電力架空線-電纜混合線路行波測(cè)距，提出一種分段計(jì)算的雙端行波故障測(cè)距算法;文獻(xiàn)[12]提出基于C型行波法的電力電纜故障定位方法，但都只針對(duì)電纜主絕緣故障，而未考慮電纜金屬護(hù)層的絕緣故障。

本研究將雙端行波法、區(qū)段環(huán)流法、穩(wěn)態(tài)差動(dòng)法和地理信息系統(tǒng)(GIS)相結(jié)合，研制開發(fā)了一套實(shí)用的電力電纜在線故障定位系統(tǒng)，對(duì)于快速判斷、準(zhǔn)確定位電纜故障位置、縮短搶修時(shí)間及降低供電安全風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

1 電力電纜在線故障定位系統(tǒng)構(gòu)成

電力電纜在線故障定位系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由4部分構(gòu)成。

圖1 電力電纜在線故障定位系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 配電所電纜監(jiān)測(cè)終端

配電所電纜監(jiān)測(cè)終端由主控單元、高速數(shù)據(jù)采集單元、GPS(全球定位系統(tǒng))授時(shí)模塊、通信模塊及電源模塊等構(gòu)成。監(jiān)測(cè)終端通過外置式高頻電流傳感器實(shí)時(shí)采集電纜三相芯線和三相金屬護(hù)層接地線的高頻暫態(tài)行波電流信號(hào)，并具有行波錄波功能。

為保證行波測(cè)距的分辨率，設(shè)計(jì)采樣頻率為50 MHz，同時(shí)GPS授時(shí)模塊保證各配電所監(jiān)測(cè)終端之間的時(shí)鐘誤差不超過50 ns。

為了監(jiān)視電纜金屬護(hù)層絕緣故障，監(jiān)測(cè)終端還通過專門研制的外置式低頻電流傳感器實(shí)時(shí)采集電纜三相金屬護(hù)層接地線的工頻電流信號(hào)，并具有故障檢測(cè)功能。

當(dāng)電纜主絕緣或金屬護(hù)層絕緣發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)測(cè)終端通過通信模塊自動(dòng)將記錄到的波形數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)端的電纜故障定位GIS展示平臺(tái)。

1.2 電纜中間接頭監(jiān)測(cè)終端

電纜中間接頭監(jiān)測(cè)終端通過專門研制的外置式低頻電流傳感器實(shí)時(shí)采集電纜中間接頭兩側(cè)三相芯線和三相金屬護(hù)層接地線的工頻電流信號(hào)，具有接頭內(nèi)部主絕緣故障檢測(cè)和接頭外部金屬護(hù)層絕緣故障檢測(cè)功能。

當(dāng)電纜中間接頭的內(nèi)部主絕緣或外部金屬護(hù)層絕緣發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)測(cè)終端自動(dòng)將記錄到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)端的電纜故障定位GIS展示平臺(tái)。

電纜中間接頭監(jiān)測(cè)終端通過CT(電流互感器)取電方式供電，并將自帶的蓄電池作為后備電源。

1.3 電纜故障定位GIS展示平臺(tái)

電纜故障定位GIS展示平臺(tái)可以部署在供電中心的專門服務(wù)器上，也可以部署在公網(wǎng)的云服務(wù)器上，其應(yīng)用軟件系統(tǒng)基于B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)，具有行波故障定位分析、電纜中間接頭故障分析、電纜故障位置GIS展示、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與查詢及電纜故障告警(短信、彈窗)等功能。

電纜運(yùn)維人員可以通過短信方式實(shí)時(shí)獲得電纜故障告警信息，也可以隨時(shí)通過瀏覽器登陸云服務(wù)器進(jìn)入電纜故障定位GIS展示平臺(tái)頁面，進(jìn)而實(shí)時(shí)查看被監(jiān)視電纜的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和所有歷史故障信息。

1.4 通信網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)可直接采用鐵路供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)(SCADA)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，亦可采用4G無線通信網(wǎng)。

2 電纜故障定位原理

2.1 電纜主絕緣故障定位——雙端行波法

當(dāng)電纜某相主絕緣發(fā)生故障時(shí)，在故障點(diǎn)將產(chǎn)生高頻暫態(tài)行波，而且故障暫態(tài)行波將在故障相的芯線和金屬護(hù)層之間傳播，其傳播路線如圖2所示。

圖2 電纜主絕緣故障暫態(tài)行波傳播示意圖

根據(jù)雙端行波原理，故障點(diǎn)F到電纜兩端配電所M、N的距離DMF、DNF分別表示為：

式中:

ν——行波波速；

L——電纜線路全長；

tM,tN——分別表示故障初始行波到達(dá)M端和N端配電所監(jiān)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)時(shí)間。

在本系統(tǒng)中，首先通過安裝在電纜兩端配電所的電纜監(jiān)測(cè)終端檢測(cè)故障初始行波觸發(fā)設(shè)定門限時(shí)的絕對(duì)時(shí)刻，進(jìn)而在電纜故障定位GIS展示平臺(tái)通過對(duì)故障行波波形進(jìn)行分析來獲得校準(zhǔn)后的故障初始行波到達(dá)時(shí)刻。

2.2 電纜護(hù)層絕緣故障定位——區(qū)段環(huán)流法

考慮到電纜沿線可能存在多個(gè)中間接頭將整條電纜劃分成若干電纜區(qū)段，而且每個(gè)電纜區(qū)段兩端的金屬護(hù)層采用不同的接地方式，即一端金屬護(hù)層直接接地，另一端金屬護(hù)層經(jīng)保護(hù)間隙接地，如圖3所示。

圖3 電纜金屬護(hù)層絕緣故障定位示意圖

在正常運(yùn)行情況下，每個(gè)電纜區(qū)段的芯線負(fù)荷電流通過電容效應(yīng)感應(yīng)到金屬護(hù)層接地回路的工頻電流(即環(huán)流)非常小。當(dāng)某電纜區(qū)段的金屬護(hù)層發(fā)生接地故障時(shí)，護(hù)層接地線上的工頻電流將發(fā)生突變，據(jù)此可以檢測(cè)金屬護(hù)層接地故障,并將其定位到具體的電纜區(qū)段。

在本系統(tǒng)中，配電所的金屬護(hù)層接地環(huán)流由配電所電纜監(jiān)測(cè)終端負(fù)責(zé)采集，而其它各電纜區(qū)段的金屬護(hù)層接地環(huán)流則由電纜中間接頭監(jiān)測(cè)終端負(fù)責(zé)采集。配電所電纜監(jiān)測(cè)終端和電纜中間接頭監(jiān)測(cè)終端基于環(huán)流法實(shí)時(shí)檢測(cè)電纜金屬護(hù)層絕緣是否發(fā)生故障。

2.3 電纜中間接頭故障檢測(cè)——穩(wěn)態(tài)差動(dòng)法

電纜中間接頭的故障檢測(cè)原理如圖4所示。

圖4 電纜中間接頭故障檢測(cè)示意圖

由圖4可知，在正常情況下，電纜中間接頭外部(虛框以外)發(fā)生故障時(shí)，流過接頭兩側(cè)芯線的電流完全相同，因而在圖4所示參考方向的前提下，兩側(cè)芯線電流的矢量和為零；當(dāng)電纜中間接頭內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，兩側(cè)芯線電流的矢量和不再為零，而是必然超過設(shè)定的數(shù)值，據(jù)此可以檢測(cè)電纜中間接頭故障。

在本系統(tǒng)中，電纜中間接頭兩側(cè)芯線的三相電流由電纜中間接頭監(jiān)測(cè)終端負(fù)責(zé)采集，并基于穩(wěn)態(tài)差動(dòng)法實(shí)時(shí)檢測(cè)電纜中間接頭內(nèi)部是否發(fā)生故障。

3 電纜故障位置的GIS展示

3.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

電纜故障定位GIS展示平臺(tái)軟件布置在服務(wù)器端，主要實(shí)現(xiàn)電纜故障在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和基于百度地圖的GIS展示等功能，其軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)分析引擎、數(shù)據(jù)庫引擎及地理信息引擎等。

圖5 電纜故障定位GIS展示軟件系統(tǒng)架構(gòu)

GIS展示平臺(tái)軟件與客戶端的加載關(guān)系如圖5所示。其中，客戶端網(wǎng)頁的靜態(tài)部分基于html(超文本標(biāo)記語言)編寫，動(dòng)態(tài)部分則基于js(直譯式腳本語言)編寫。網(wǎng)頁與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互基于ajax(異步直譯式腳本語言和可擴(kuò)展標(biāo)記語言)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采用json(直譯式腳本語言對(duì)象標(biāo)記)格式。

3.2 基于GIS的電纜監(jiān)測(cè)網(wǎng)頁頁面加載

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，首先需要將實(shí)際電纜線路和設(shè)備節(jié)點(diǎn)的經(jīng)緯度信息按照一定精度輸入平臺(tái)，并由服務(wù)器數(shù)據(jù)庫引擎存入數(shù)據(jù)庫。這樣，客戶端就可以隨時(shí)通過瀏覽器加載GIS展示平臺(tái)的Web(萬維網(wǎng))頁面。

具體加載時(shí)，瀏覽器首先通過ajax從服務(wù)器的GIS數(shù)據(jù)引擎獲取電纜線路和設(shè)備坐標(biāo)數(shù)據(jù)，然后通過百度地圖API接口加載對(duì)應(yīng)坐標(biāo)區(qū)域的地圖，并將電纜線路坐標(biāo)按照順序以實(shí)線形式繪制于地圖中，將設(shè)備節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)以標(biāo)注形式繪制于地圖中，從而加載完畢。

3.3 電纜故障位置展示

在正常情況下，瀏覽器定時(shí)通過ajax向服務(wù)器數(shù)據(jù)分析引擎查詢電纜故障告警信息。當(dāng)服務(wù)器接收到來自配電所電纜監(jiān)測(cè)終端或電纜中間接頭監(jiān)測(cè)終端的故障數(shù)據(jù)時(shí)，首先,根據(jù)電纜故障定位原理分析確認(rèn)故障點(diǎn)位置;然后,生成電纜故障告警信息并存入數(shù)據(jù)庫;進(jìn)而通過數(shù)據(jù)分析引擎將故障點(diǎn)位置信息打包，并以json對(duì)象形式發(fā)送至瀏覽器;瀏覽器再通過腳本中的數(shù)據(jù)處理引擎計(jì)算出實(shí)際故障點(diǎn)坐標(biāo)，并通過百度地圖API接口將故障點(diǎn)坐標(biāo)位置以彩色標(biāo)注形式展示于Web地圖中。

2019年1月，基于本文提出的原理和技術(shù)研發(fā)的電纜故障在線定位系統(tǒng)在南京地鐵1號(hào)線南京南站站順利投入試運(yùn)行。電力電纜在線故障定位系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)南京南站站配電所進(jìn)線電源電纜。電纜全長3.5 km，沿線布設(shè)4個(gè)中間接頭。

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的工頻電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面如圖6所示。其中，電纜線路下方的數(shù)據(jù)為A、B、C3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)流值，電纜線路上方的數(shù)據(jù)為電纜中間接頭C兩側(cè)的芯線電流值。到目前為止，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。

圖6 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的工頻電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面

4 結(jié)語

研發(fā)了基于GIS的電纜在線故障定位系統(tǒng)，并投入實(shí)際運(yùn)行。該系統(tǒng)將雙端行波法、區(qū)段環(huán)流法、穩(wěn)態(tài)差動(dòng)法和GIS展示融為一體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電纜主絕緣、電纜金屬護(hù)層絕緣和電纜中間接頭的全面在線故障監(jiān)測(cè)。

本系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，可以大大縮短城市軌道交通電纜故障的修復(fù)時(shí)間，從而提高供電可靠性，提升運(yùn)行維護(hù)水平。